地球自转能曳引时空吗?

  • A+
所属分类:百科知识2008年

英国《自然》杂志曾刊登了一篇论文,不仅引起了物理学家的注意,还引起了许多公众的兴趣,论文的题目叫做“观察地球自转对周围时空的曳引”。所谓时空是时间和空间合在一起的概念。在牛顿的物理时代,时间对我们而言,似乎是以一定的速度在流逝,而空间是孤立地存在着,空间本身不会发生伸缩。20世纪初,爱因斯坦创立了相对论,推翻了过去的时空观。按照相对论的说法,时间和空间不是绝对的,而是会相对地做伸缩。另外,在具有质量的物体的周围,时空会发生弯曲。按照相对论的解释,导致时空发生弯曲的是“引力”,并且还预言这个效应仅对具有极大引力的黑洞等天体而言,才足明显的。

  现在,人们尝试着在地球的周围观测这个效应。《自然》杂志上的这篇文章就是关于测量地球周围时空弯曲的。显然,这种观测必须十分严密和精确,随着近代科技的飞速发展才有可能验证相对论的推论对地球这样的天体是否正确。毕竟,地球在宇宙天体中只能算是个小家伙。如果观测不到这个效应,从另一个角度来讲,或许存在至今还未发现的“相对论的破绽”,需要对相对论进行修正也未可知。

  

  时空的曳引效应

  

  不过,与人们通常认为的引力导致空间弯曲不同,该论文谈到的是另一种原因引起的时空弯曲,即“时空的曳引效应”。

  那么,什么是“时空的曳引效应”呢?让我们用下列实验加以形象地比喻。

  将一只模型船浮在装满水的水池中,拔去水池底部排水口的塞子,由于水流向下水道,船会被拖曳到排水口的上方水面。在一般情况下,水会以排水口为中心打漩儿。于是,船的运动轨迹不是径直向着排水口冲去,而是一边被漩涡拖曳着打漩儿,一边朝着排水口的位置移去。

  时空的拖曳,与这个漩涡极其相似。比如,向着地球落下的苹果,如果按照牛顿力学,会径直地向地球中心的方向落下。这时,即使地球在自转运动,在牛顿力学体系下,并不会影响苹果的下落轨迹。

  但是,如果用相对论所预言的曳引时空来考虑,地球的自转产生了时空的“漩涡”,落下的苹果会被拖曳,朝着漩涡方向的时空前进。于是,苹果不是径直地落向地球的中心,而是一边被拽向地球的自转方向,一边落向地球的中心。当然,苹果落下时,偏离竖直方向的程度是非常微小的,以现在的测量技术,还无法直接观察到苹果落下时产生的微弱偏差。

  早在1915年爱因斯坦发表相对论后不久,另外两个科学家就预言,天体自转会对周围时空产生曳引效应。如果天体自转,为什么周围的时空会被曳引呢?它的原理就是从相对论导出的著名方程式E=mc2,用质量与能量的等价性就能够解释。按照相对论,在具有质量的物体周围,时空被弯曲。而且,因为能量与质量本质上是统一的,能量也应该能使时空弯曲。所以,地球的质量能够在地球周围产生时空的弯曲,而地球的自转,它的旋转能量也会使时空被曳引,进一步造成时空弯曲。

  质量大的天体,例如太阳的存在使时空弯曲的事实,通过水星的近日点移动的观测,美国宇航局的海盗号火星探测器的验证实验,已经得到了相当准确的证实。但是时空的曳引效应却一直没有值得信赖的证据。

  

  用卫星验证时空曳引效应

  

  那么,我们是通过什么方法利用卫星来验证时空的曳引效应的呢?意大利莱切大学和美国马里兰大学的两位博士对美国宇航局过去发射的两颗卫星在轨道上的记录数据进行了详细分析。按他们的说法,如果地球的自转真的能曳引周围的时空,就应该会对时空中的卫星的轨道产生影响。两位博士的确发现了卫星轨道的偏差,从而宣布,时空确实存在曳引效应。

  但是,人造卫星的轨道不但受时空曳引效应的影响,还受到其他种种原因的影响。例如,地球并不完全是球体,由于自转的离心力而形成了略微扁平的球形。此外,地下的物质的密度和成分并不是均匀的。所以,引力的强度随着地球表面上的位置不同而不一样,这些都会使绕地球飞行的人造卫星的轨道产生偏差。

  这些偏差与相对论效应无关,却比时空曳引而产生的偏差要大许多。要检测出隐含在大的偏差中的小的偏差,可不是一件容易的事。时空的曳引给卫星带来的偏差是每年2米左右,而因地球扁平而产生的偏差是每年几千千米。由此可知,曳引效应是多么的小。因此两位博士尽可能正确地估计地球的扁平率和地球的引力分布,从而在轨道的偏差中,剔除非曳引效应产生的偏差。

  但是,仍然有一些科学家怀疑两位博士的结论。日本东京大学的一位教授认为,确定时空曳引效应引起的微弱作用,如果不能相当严格地去掉隐藏在其中的由地球引力分布而产生的影响,就不能说是有说服力的验证。从两位博士的论文来看,卫星的数据的确给出了非常正确的引力分布图,但是要证明时空曳引效应,从精确性上讲还不够。

  所以,通过对卫星轨道的变化来证明确实存在曳引效应,目前还难以令人信服。

  

  观测器带来希望

  

  为了验证地球自转产生的曳引效应,看来还需要另辟蹊径。好在新的方法已经找到,完全可以除去地球引力分布的干扰。

  2004年4月,美国宇航局发射了引力探测器人造卫星,准备验证时空的曳引效应。从2004年8月开始,以美国斯坦福大学为首的研究小组利用这颗卫星开始测量数据,但是要得出结论,还需要一段时间的数据采集和分析。

  引力观测器上有个“陀螺仪”装置,它是一个直径4厘米、表面做得非常光滑的球体陀螺。将这个陀螺放入盒子里,每分钟转5000次到10000次。表面做得光滑,是为了使陀螺仪旋转时产生的摩擦力尽可能地接近于0。正常情况下,如果忽略掉旋转时的摩擦影响,即使把盒子怎样倾斜或摇摆,根据陀螺的性质,陀螺仪的旋转轴总是朝着规定的方向。

  但是,在通过弯曲的时空时,陀螺仪的旋转轴会受时空的影响发生改变。通过不断监视搭载在绕地球周围轨道旋转的探测器中的陀螺仪的旋转情况,就能测出地球周围时空是怎样弯曲的。由于:不用考虑地球的引力分布,只单纯地检测时空的弯曲,所以比起先前的方法,这种方法能以更高的精度进行可靠的观测。

  这个想法是上个世纪50年代末美国斯坦福大学的物理学家提出的,随着技术的进步,这个历时40多年的想法终于要实现了。这种以严格的精度测量相对论效应的行动,意义已经不仅仅是证明时空的曳引效应,还可能检验相对论这个理论本身是否正确。

  

  旋转黑洞:最大的能量库

  

  假如时空的曳引效应确实存在,会对我们有什么影响呢?

  如果理论没有错误的话,时空的曳引效应虽然在地球周围不十分明显,但是在质量很大的天体比如黑洞周围,则会十分明显。黑洞是具有非常大的质量的恒星走向死亡,最终坍缩成直径非常小的特殊天体。和太阳一样,恒星都在进行自转,因此当恒星变成黑洞后,人们推测它也在进行自转运动。在旋转着的黑洞周围,不但会有因为质量巨大而产生时空的强烈弯曲,还会有因黑洞自转而产生的时空曳引效应。

  时空的曳引效应在越靠近中心的地方就越强。在黑洞理论中,连光都无法逃逸到外界边缘叫做黑洞的“视界”,但是在外视界附近有一层特殊的区域,被称为“能层”。能层区域具有一个奇特的性质,其中的某些轨道具有负的总能量,即引力束缚能超过静止质量和动能的总和。如果利用能层区域的这个特性,从旋转的黑洞中抽取能量,在理论上是可行的。

  有的科学家就曾设想,首先把物体扔进旋转的黑洞。物体一边被黑洞的旋转曳引,一边下落,进入能层区域,把物体分裂成两个。这时操纵物体,把分裂的一部分物体逆向旋转,让另一个逸出能层区域外。不可思议的是,逸出能层区域外的那部分物体将攫取黑洞的旋转能量,输出比扔进黑洞时更大的能量。利用这个能量差,就能够建立起能量取之不尽的梦幻般的系统。

  真是一个宏伟的构想!或许在遥远的未来,人类可以用这种方法从黑洞攫取能量,在黑洞旁边建立起无数的宇宙城市。是的,这个未来图景完全能够实现,只要时空的曳引效应真实存在。(文章代码:0913)

  

  责任编辑 蒲晖

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: